Simulation of Pressure Pulses in Top-hole Cementing Operations

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker utviklingen av trykkpulser i topphullseksjoner, frembrakt fra utstøting av sementplugger under sementeringsoperasjoner. Topphull refererer i denne sammenheng til de øverste seksjonene av en brønn, som blir boret uten utblåsningssikring og marint stigerør. Målet med oppgaven har vært å utforske trykkpulsfenomenet og evaluere størrelsen av trykket i borehullet. I tillegg har fokus blitt rettet mot design faktorer ved topphullsystemet og hvordan disse påvirker energitapet til den forplantende trykkpulsen. Fenomenet, som ikke er mye omtalt i litteraturen, kan potensielt forårsake skade på formasjon og på havbunnsinstallert boreutstyr. Økt kunnskap på dette feltet er derfor av stor interesse.

Tilnærmingen for å utforske fenomenet har vært å konstruere en digital modell av topphullsystemet, og deretter utføre simuleringer av trykkutvikling for flere ulike tilfeller. En grunnleggende studie av bore- og sementeringsoperasjoner i topphullseksjoner, har blitt utført for å skape et solid fundament for den digitale modellen. Dette teoretiske fundamentet blir presentert i to ulike kapitler. Det første beskriver grunnleggende metoder og utfordringer ved bore- og sementeringsoperasjoner i topphullseksjoner, men også grunnleggende teori for trykkbølger og trykkpulsfenomenet. Det andre kapitlet beskriver oppsettet og applikasjonene til et stigerørsfritt system for returnering av boreslam, som ble implementert i modellen.

Den digitale modellen ble konstruert i Matlab R2020a ved bruk av verktøypakken Simscape Fluids. Hensikten med modellen var å få tilgang til verdifull kunnskap om trykkpulsfenomenet. En detaljert beskrivelse av modellen blir presentert med forklaringer av nøkkelkomponenter, antakelser, grunnleggende ligninger og ikke-newtonske reologimodeller.

De utførte simuleringene gav verdier for trykk i borehullet og for energitap forårsaket av komponenter i systemet. Ifølge de simulerte resultatene, så vil formasjonen i bunnen av borehullet bli utsatt for et ekstra trykk på 10,21 – 18,54 bar fra pulsen, avhengig av systemets design. I tillegg indikerer resultatene at 65,2 – 82,0% av det totale energitapet blir forårsaket av tilbakeslagsventilene i foringsrøret.

Videre arbeid anbefales for å øke graden av troverdighet for de simulerte resultatene. Hovedfokuset i dette arbeidet bør rettes mot forbedringer av fluidsystemets grensebetingelser og modellering av tilbakeslagsventiler. Anbefalte løsninger for dette formålet er evaluering av alternative simuleringsprogrammer og søk etter forbedret kunnskap gjennom eksperimenter eller ved informasjon fra industrien.

This thesis investigates the development of pressure pulses from launching the wiper plugs in top-hole cementing operations. In this context, top-hole refers to the uppermost sections of a well, which is drilled without the blow out preventer and marine drilling riser installed. The objective has been to explore the phenomenon and evaluate the magnitude of downhole pressure. In addition, focus has been directed towards design characteristics of the top-hole system and how these parameters affect the energy loss of the propagating pressure pulse. The phenomenon, which is not much discussed in literature, can potentially cause damage to the formation and to subsea installed drilling equipment. Therefore, increased knowledge on the topic is of great interest.

The approach for exploring the phenomenon has been to construct a digital model of the tophole system, and then perform simulations of pressure development for several different cases. A study on fundamental characteristic of top-hole drilling and cementing operations has been conducted to provide a solid fundament for the digital model. This theoretical fundament is provided in two separate chapters. The first one describes basic methods and challenges found in top-hole drilling and cementing operations, but also basic theory on pressure waves and the pressure pulse phenomenon. The second one describes the setup and applications of a riserless mud recovery system, which was implemented in the digital model.

The digital model was built in Matlab R2020a by use of the Simscape Fluid tool package, with the intention of accessing valuable knowledge on the pressure pulse phenomenon. A detailed description of the model is provided, with explanations of key components, assumption, fundamental equations and non-Newtonian rheology models.

The simulations provided values for the downhole pressure and for the energy losses across system components. Simulated results state that the bottom hole formation will be exposed to an additional pressure of 10,21 - 18,54 bar from the pulse, depending on the system design. In addition, results indicate that 65,2 – 82,0% of the total energy loss is taken across the float valves in the shoe track.

It is recommended that further work is invested to increase the level of confidence for the simulated results. The main focus in this work should be directed towards improvement of fluid system boundary conditions and float valve representation. Recommended solutions for this purpose are evaluation of alternative simulation software’s and search for improved knowledge through experimental activities or through information from the industry.